CC BY
9Крупин М. В., Зыков В. И., Рязанов А. В.
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ НА АЭС
Перспективным направлением повышения эффективности технических средств пожарной сигнализации является контроль изменений газового состава окружающей среды для раннего обнаружения пожара при низкой вероятности ложных срабатываний. В настоящее время концентрацию углекислого газа СО2 и угарного газа СО контролируют газовые пожарные извещатели. Современные технологии позволяют использовать новые способы обнаружения пожара, например, контролируя концентрацию кислорода в окружающей среде.
Ключевые слова: атомная электростанция, пожарная сигнализация, газовый пожарный извеща-тель, датчик, кислород, термомагнитная конвекция.
В настоящее время в России функционирует 10 атомных электростанций (АЭС), а также 72 исследовательские ядерные установки, большинство которых расположены в европейской части страны. Потенциальная опасность пожаров и взрывов на АЭС заключается в возможных выбросах радиоактивных материалов в атмосферу, что может привести к катастрофическим последствиям. Пожары на АЭС могут привести к гибели людей, материальному ущербу, а также снижению выработки электроэнергии.
Обеспечение пожарной безопасности объектов АЭС осуществляется по двум направлениям:
1) создание систем обнаружения и предотвращения распространения огня, локализации и ликвидации пожара;
2) разработка превентивных мер защиты, ограничивающих ущерб от пожара.
Для оптимального развития этих двух направлений необходимо, чтобы техника обладала высокой надёжностью, а влияние «человеческого фактора» было незначительным. В связи с тем, что ко времени прибытия пожарных на АЭС пожар может
достигнуть значительных размеров, особую важность приобретает использование систем пожарной автоматики на объекте. Вместе с тем, принципиальным недостатком всех существующих систем пожарной автоматики является недостаточная устойчивость их функционирования: большое количество отказов (до 50 %) и ложных срабатываний (более 90 %) [1].
Пожарная безопасность объектов АЭС с использованием средств автоматизации обеспечивается автоматизированной системой противопожарной защиты (АСПЗ), являющейся одной из подсистем интегрированной автоматизированной системы управления технологическими процессами на АЭС. В неё входят системы пожаротушения, взрывозащиты, дымозащиты, оповещения и эвакуации. Объединяющим элементом является система пожарной сигнализации (СПС). Раннее и достоверное обнаружение пожара обеспечивает своевременное принятие мер по его ликвидации и позволяет предотвратить или значительно сократить ущерб от него. Информация СПС используется для управления средствами оповещения, даёт возможность уменьшить время эвакуации людей из зоны пожара, а также ускорить вызов подразделений пожарной охраны. По информации СПС может быть остановлен технологический процесс, отключена вентиляция в аварийных помещениях, произведён пуск автоматических установок пожаротушения, осуществлено функционирование системы противодымной защиты [1, 2].
Наибольшее распространение в автоматических СПС получили тепловые и дымовые пожарные извещатели (ПИ). Это объясняется как спецификой начальной фазы процесса горения большинства пожароопасных веществ, так и относительной
простотой схемных и конструктивных решений этих извещателей. В помещениях складского и производственного назначения всё чаще применяются дымовые изве-щатели, использующие принцип принудительного отбора воздуха для обнаружения дыма - аспирационные ПИ. В настоящее время появились серийно изготавливаемые газовые аспирационные ПИ [3].
Повышенная помехоустойчивость наряду с высокой способностью к обнаружению пожара - основные требования к ПИ. Поиск компромисса между этими противоречивыми требованиями определяется техническими возможностями извещате-ля, а также правильным выбором его вида и принципа действия, что является достаточно сложной задачей. Существенно расширить возможности пожарной сигнализации позволяют комбинированные ПИ. Основным направлением их развития до недавнего времени было сочетание нескольких каналов обнаружения различных факторов пожара. В настоящее время значительное внимание при построении комбинированного ПИ уделяется увеличению числа каналов и их активному взаимодействию между собой, что позволяет одновременно улучшить характеристики обнаружения и помехоустойчивости [3].
Одним из способов обнаружения пожара на ранней стадии его развития является контроль химического состава воздуха. На рисунке 1 представлены примеры зависимостей между основными характеристиками пожара в начальной стадии в помещении. Концентрация различных газов при пожаре была установлена по методике с использованием спектроскопа Рамана, определяющего одновременно концентрацию всех газов в объёме, где происходит пожар.
В связи с этим возникла необходимость разработки АСПЗ с применением средств контроля загазованности объектов АЭС на основе газоанализаторов, реагирующих на факторы, предшествующие пожару. Эффективность таких систем определяется чувствительностью и быстротой
реагирования на опасный компонент. Основными параметрами газовой среды в замкнутых помещениях являются: снижение концентрации кислорода и нарастание концентрации СО и С02. Контроль параметров этих газов позволяет своевременно выявить и ликвидировать пожар.
Существуют различные методы определения концентрации кислорода в газовых средах, однако несмотря на значительный вклад учёных в решение этого вопроса, проблема остаётся до конца не решённой. Существующие методы либо не точны, либо в аппаратурном оформлении очень громоздки и нерациональны. Для контроля концентрации кислорода в технологических помещениях объектов энергетики наиболее эффективен термомагнитный датчик (ТМД) кислорода.
Принцип работы ТМД кислорода в газовой смеси основан на использовании явления термомагнитной конвекции кис-лородосодержащего газа в неоднородном магнитном поле при наличии в нём температурного градиента. Оптимизация конструктивных параметров разработанного ТМД кислорода и применение чувствительного элемента (ЧЭ) из микропровода с термостойкой изоляцией позволила создать датчик, обладающий более высокой точностью, независимостью показаний от состава неизмеряемых компонентов и простотой в изготовлении [4].
Время воспламенения, мин.
Рисунок 1. Изменение скорости потери массы, концентрации кислорода O2, оксида углерода СО, диоксида углерода СО2 в зависимости от времени после воспламенения
Рисунок 2. Термомагнитный датчик кислорода: 1 - крышка, 2 - верхний магнитопровод, 3 - магнит, 4 - нижний магнитопровод, 5 - корпус датчика, 6 - подставка, 7 - чувствительный элемент, 8 - транзисторная стойка
В качестве постоянных магнитов использовались наиболее распространённые цилиндрические магниты на основе №-Ре-В толщиной 3 мм и диаметром 18 мм, на которые накладывались стальные наконечники соответствующей формы. Немагнитная часть измерительной системы выполнялась по форме аналогично магнитной из алюминия и располагалась симметрично скосами наконечников к внешним краям.
Чувствительный элемент датчика 7 представляет собой спираль из 5-6 витков, с толщиной проволоки 10-12 мкм в сплавленной термостойкой оболочке 1-1,5 мкм, сопротивлением 32-36 Ом. Спираль ЧЭ приваривается на токопрово-дящие проводники, установленные в транзисторные стойки 8. Такие датчики имеют почти точечные размеры, что позволяет устанавливать их в любое место магнитной системы. Для обеспечения высокого уровня чувствительности необходимо найти такое расположение элементов в магнитном поле постоянных магнитов, при котором термомагнитная сила будет максимальной, следовательно, максимальным будет поток кислорода, обтекающий ЧЭ.
Чувствительные элементы устанавливались симметрично в магнитной и немагнитной частях измерительной системы на расстоянии 0,5 мм от внешних краёв наконечников в середине зазора по толщине, что позволило обеспечить необходимый температурный режим и ре-
шить проблему влияния неопределяемых компонентов газов.
Исследования разработанного ТМД кислорода показали, что зависимость выходного напряжения имеет линейный характер на всём диапазоне концентраций кислорода и при различном пространственном расположении ТМД. Результаты экспериментальных исследований дают основание утверждать, что ТМД является наиболее перспективным для анализа кислорода в широком диапазоне изменения температуры и давления газовой смеси. Кроме того, ТМД по своим характеристикам превосходит известные образцы сенсоров кислорода с использованием в качестве ЧЭ микроспирали из литого микропровода, что позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики ТМД.
В заключение следует подчеркнуть, что на АЭС к системе пожарной сигнализации предъявляются высокие требования по достоверности функционирования. Для исключения ложных срабатываний системы предлагается использовать муль-тисенсорные пожарные извещатели, которые обнаруживают пожар по нескольким показателям, в том числе и осуществляя газовый контроль окружающей среды [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Буцынская Т. А, Землянухин М. В. Анализ патентной информации в области пожарной сигнализации // Вестник Академии Государственной противопожарной службы МЧС России. - 2005. -№ 3. - С. 174-177.
2. Топольский Н. Г. Автоматизация систем пожарной безопасности АЭС. - М.: ВИПТШ МВД России, 1994. - 200 с.
3. Фёдоров А. В., Членов А. Н., Лукьянчен-ко А. А, Буцынская Т. А, Демёхин Ф. В. Системы и технические средства раннего обнаружения пожара. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. - 158 с.
4. Рязанов А. В., Крупин М. В., Антонов С. В. Оптимизация размеров и конфигурации магнитной системы прибора термомагнитной конвекции газов // Контроль. Диагностика. - 2012. - № 5. - С. 39-45.
5. Мазур А. С., Бушнев Г. В., Янковский И. Г. О проблемах определения параметров аварийных взрывов газопаровоздушных смесей и их воздействия на людей, здания и сооружения // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2014. -№ 2 (30). - С. 32-40.
Krupin M., Zykov V., Ryazanov A.
GAS FIRE DETECTORS APPLICATION AT ATOMIC POWER STATIONS
ABSTRACT
Purpose. One of the promising ways of increasing the efficiency of fire alarms is to control gas composition changes in the environment for early fire detection with low probability of false alarms.
Methods. Main characteristics analysis of initial fire stage in premises allows to improve the fire alarm system at the expense of new sensors in fire detectors.
Findings. Modern technologies make it possible to use such methods of detecting as oxygen concentration control with the help of thermomagnetic sensor in the environment.
Research application field. Study results are relevant for application at the objects where early
fire risk detection is necessary for preventing fire or explosion, which could cause an ecocatastrophe, loss of life or great property damage. Atomic power stations are such objects.
Conclusions. To exclude false alarms it is proposed to use multi-sensor fire detectors which detect fire on several parameters, including gas control of the environment.
Key words: atomic power station, fire alarm, gas fire detector, sensor, oxygen, thermomagnetic convection.
REFERENCES
1. Butcinskaya T.A., Zemlianukhin M.V. The analysis of patent information in the field of fire alarm. Vestnik Akademii Gosudarstvennoiprotivopozharnoisluzhby, 2005, no. 3, pp. 174-177.
2. Topolsky N.G. Avtomatizatsiia sistem pozharnoi bezopasnosti AES [Automation of fire safety systems of nuclear power plants]. Moscow, VIPTSh MVD Rossii Publ., 1994. 200 p.
3. Fedorov A.V., Chlenov A.N., Luk'ianchenko A.A., Butcinskaya T.A., Demekhin F.V. Sistemy i tekhnicheskie sredstva rannego obnaruzheniia pozhara [Systems and technical means
of early fire detection]. Moscow, State Fire Acad. of EMERCOM of Russia Publ., 2009. 158 p.
4. Ryazanov A.V., Krupin M.V., Antonov S.V. Optimization of the size and configuration of the magnetic system of the device thermomagnetic convection of gases. Kontrol'. Diagnostika, 2012, no. 5, pp. 39-45. (in Russ.)
5. Masur A.S., Bushnev G.V., Yankovsky I.G. The problems of determining the parameters of accidental explosions of gas and vapor mixtures and their effects on people and buildings. Problemy upravleniia riskami v tekhnosfere, 2014, no. 2, pp. 32-40. (in Russ.)
Mikhail Krupin Vladimir Zykov
Aleksei Ryazanov
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Doctor of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences
Moscow State Technical University of Radioengineering,
Electronics and Automation, Moscow, Russia
